机械工程毕业设计—JZ-7 型空气制动机的设计

摘 要

　　随着专业制造技术的发展，模块化作业成为必然趋势之一，传统货车机车车辆上的制动系统均由管路连接风源和各作用单元，采用配做连接，耗工耗时，且不利于售后问题辨别和处理。本文以应用于内燃机车上的 JZ-7 型空气制动机为研究对象，基于集成板技术，进行了 JZ-7 制动系统部件的布局优化，并完成了制动系统滤尘接头、板式无火回送阀等部件的设计开发。具体研究内容如下：

　　1、JZ-7 制动系统集成方案采用高铁、动车、地铁车辆上广泛使用的集成板技术，将制动阀、中继阀、继动阀、分配阀、保压电磁阀、运监电磁阀、双向阀、风缸以及各连接管系等集成排布。该方案采用现有 JZ-7G 型制动机，保证制动阀不变、风源系统不变、驻车制动不变。

　　2、研究了集成式气路板的加工制造工艺及装配、实验方法。采用集成气路板技术优化制动管系，减少了管系连接和配管制作，降低了管系漏泄的可能性，提高了制动系统的可靠性。

　　3、设计开发了板式滤尘接头，防止管系中的灰尘进入制动阀，提高了制动可靠性。

　　并采用直通制动功能，通过电磁阀控制气路为制动系统直接充风，实现车辆制动和缓解。

　　4、研究开发了专用的气密性实验台和模拟单机实验台。实验台可以对制动系统零部件进行气密性试验及模块化组装和模拟单车性能试验。减少了因管系漏泄、部件性能不合格造成的返工，保证集成系统模块装车前质量可靠。

　　关键词：内燃机车，JZ-7 型空气制动机，集成，气路板

Abstract

　　With the development of professional manufacturing technology, modular operation has become one of the inevitable trends. The brake system on the traditional freight car is connected with the air source and each action unit by the pipeline, and the use of matching connection consumes labor and time, and is not conducive to the identification and treatment of after-sales problems. In this paper, the JZ-7 air brake applied to diesel locomotive is taken as the research object. Based on the integrated board technology, the layout optimization of the parts of JZ-7 brake system is carried out, and the design and development of the parts such as the filter joint of the brake system and the plate type flameless return valve are completed. The specific research contents are as follows:

　　1. The JZ-7 brake system integration scheme adopts the integrated board technology widely used in high-speed rail, motor car and metro vehicles, and integrates the brake valve, relay valve, relay valve, distribution valve, pressure maintaining solenoid valve, operation monitoring solenoid valve, two-way valve, air cylinder and various connecting pipe systems. The existing jz-7g type brake is adopted in the scheme to ensure that the brake valve, air source system and parking brake are unchanged.

　　2. The manufacturing process, assembly and experimental method of the integrated air circuit board are studied. The integrated air circuit board technology is used to optimize the brake pipe system, which reduces the connection of the pipe system and the production of the piping, reduces the possibility of the leakage of the pipe system, and improves the reliability of the brake system.

　　3. The plate type dust filter joint is designed and developed to prevent the dust in the pipe system from entering the brake valve and improve the brake reliability. Through the direct braking function, the air path is controlled by the solenoid valve to charge the braking system directly, so as to realize the vehicle braking and release.

　　4. Research and development of special air tightness experiment platform and simulation single machine experiment platform. The test-bed can carry out air tightness test, modular assembly and single car performance simulation test for brake system parts. It can reduce rework caused by leakage of piping system and unqualified performance of components, and ensure the quality of integrated system module before loading.

　　Key words: Diesel locomotive, JZ-7 air brake, integrated, air circuit board

　　目 录

　　第一章 绪论

　　1.1 选题背景及目的

　　我国铁路养护工程机械起步较早，生产厂家要求行业专业性较高，市场开放型不强，主要集中在宝鸡、襄樊、太原等地，长期以来，由于产品特性和生产批量限制，基本以劳动密集型作业为主[1].近年来，随着国家对铁路投资的持续加大[2],作为铁路养护作业的专业化设备，铁路工程作业车迎来新的发展机遇，产量需求也逐年增加，所以对现有主机制造厂生产能力提出了更高的需求。结合铁路养护作业的快速响应机制，铁路工程作业车的专业化、模块化制造被大部分应用于生产实践中[4].北京中车重工长期从事铁路制动产品的研发制造，通过对铁路工程作业车制动系统应用调研，提出了针对作业车制动系统进行集成化、模块化生产的设想，并与宝鸡中车时代技术交流，最后成功试制样机并装车试用，目前已在多车型进行推广[4].

　　2016 年到 2018 年间陆续开发出制动阀安装气路板 A、C、E 型，分配阀组气路板（制动柜）B、D、F 型，由于不同车辆要求不同，可在这几种型号里选择配合使用。其中制动阀安装气路板 C 型和分配阀组气路板（制动柜）D 型由于技术升级已经不再生产，本文不做讨论。目前 JZ-7 制动系统集成分别在 300II、地铁探伤车、国铁打磨车、地铁打磨车、快速换轨车等设备上安装试用，取得了良好的经济价值和使用效果[9].

　　1.2 铁路工程作业车制动系统安装现状

　　目前，国际上制动系统主要供应商有德国 KNORR、法国 FaiveleyTransport、日本NABTESCO、美国 WABTEC 等几家公司，这些供应商的重要特点是都能够提供全套列车制动系统产品，其制动系统广泛应用于铁道机车车辆、城轨车辆、动车组等，在高速客运、重载和快速货运、城轨交通制动技术方面，具有非常高的技术水平，基本都实现了制动系统的集成化，国际市场几乎被这几家垄断。国内制动系统及部件的主要制造企业在制动技术方面均已达到国际先进水平，但无论从市场规模及市场占有率，研发制造水平等多方面跟国际大公司比还有很大差距。

　　铁路工程作业车在国内有着悠久的研发和使用历史，由于历史特定时期技术的局限性，最初设计并未充分考量生产批次与后期维护相关问题，作为车辆运行安全的核心-制动系统采取选装、配做来实现其功能，由于系统管路的复杂性，其质量和功能只能在车辆运行中验证[10].早期由于我国铁路配速一般以 160KM/H 以下为主，客货混编线以临时计划调度为主，养护工程机械的行进速度以 80KM/H 以下，一旦发生故障，停车检修不会对整条线路乃至系统产生太大影响[11];十三五期间，我国国铁线路中 250KM/H 以上线路开始大面积投入应用，我们在享受高铁便捷的同时，也对铁路养护提出了更高的要求，现铁路养护机械要求行进速度一般 120KM/H 以上，且作业过程中不能长时间滞留于线路之上，所以无论是养护工程机械自身的工作效率，还是工作质量，一定要做到安全、便捷、快速[12].

　　在工厂制造过程中，制动系统安装跨度从头到尾，管路分部在十几米的车体长度内，由于车体采用传统焊接工艺，车体的形变量使得电器元件、气动元件、管线路、电线必须采取了配装模式，无法实现标准作业，尤其是管线路基本要经历下料-现场放样-焊接加工-现场调整-局部安装-整体校正等几个往复的阶段，并且制动系统大部分作业均在车体转向架以下，施工作业环境较差，这也是影响最后成品质量的原因之一[13].

　　1.3 课题的意义及研究内容

　　从主机厂的角度出发，散乱、选装、配做的模式已经无法适应现有市场节奏，模块化的装配无疑为其生产过程节约了大量的时间。同时，若能实现装车前单机调试，整机交付也会有质的提升；从最终用户角度来讲，一旦工程作业车在养护过程中发生制动故障，为了避免长时间滞留在国铁线路上，能够快速换模无疑为避免更大行车故障提供了可能性，节约了大量的线上检修时间，有效提升单机运行效率[14].

　　本文基于现场应用情况进行 JZ-7 制动系统集成系列产品优化设计。

　　1、本文的 JZ-7 制动系统集成方案采用集成板技术，将制动阀、中继阀、继动阀、分配阀、保压电磁阀、运监电磁阀、双向阀、风缸以及各连接管系等集成排布。JZ-7 制动系统集成方案采用现有 JZ-7G 型制动机[15].

　　2、本文研究集成式气路板的加工制造工艺及装配、实验方法。采用集成气路板技术优化制动管系，减少管系连接和配管制作，提高了制动系统的可靠性[16].

　　3、本文新设计了板式滤尘接头，防止管系中的灰尘进入制动阀，提高了制动可靠性。

　　4、本文新设计了直通制动功能，通过电磁阀控制气路为制动直接充风，实现车辆制动和缓解。

　　5、本文对集成方案设计了专用的气密性实验台和模拟单机实验台。

　　6、先进行零部件气密性试验，再进行模块化组装和模拟单车性能试验。减少了因管系漏泄、部件性能不合格造成的返工，保证集成系统模块装车前质量可靠。

　　7、预留撒沙功能管路接口，需要时可根据应用情况选取。

　　8、节省分配阀中间体组成及安装管座。

　　9、本文设计了制动集成方案的装配路线，提高了组装效率，减少了组装台位占用时间。

　　铁路工程机械制动系统人开发流程图：

　　第二章 作业车制动系统集成的总体设计方案
　　2.1 设计思路
　　2.1.1 设计需求
　　2.1.2 设计方案
　　2.1.3 制动集成系统功能
　　2.1.4 制动集成技术参数
　　2.1.5 接口说明
　　2.1.6 方案总结

　　2.2 关键件设计
　　2.2.1 气路板
　　2.2.2 无火回送阀
　　2.2.3 滤尘接头
　　2.2.4 电磁阀
　　2.2.5 安装架
　　2.2.6 撒沙功能

　　2.3 试验台设计思路
　　2.3.1 打压试验台
　　2.3.2 模拟单机试验台
　　2.4 系统零部件
　　2.4.1 风源系统
　　2.4.2 制动机
　　2.5 本章小结

　　第三章 集成气路板制造工艺分析
　　3.1 气路板加工
　　3.2 焊接
　　3.3 表面阳极氧化
　　3.4 本章小结

　　第四章 模块化设计及装配
　　4.1 模块化设计
　　4.2 气路板有限元分析
　　4.2.1 有限元理论概述
　　4.2.2 谐响应分析
　　4.2.3 正常工况下模型简化原则
　　4.2.4 强度理论

　　4.2.5 有限元模型的建立
　　4.2.6 边界条件的施加
　　4.2.7 结果分析
　　4.2.8 结论
　　4.3 制动系统集成装配
　　4.4 本章小结

　　第五章 制动集成系统符合性分析
　　5.1 气密性试验标准、试验台机能试验
　　5.1.1 测试设备
　　5.1.2 试验原理图
　　5.1.3 测试方法
　　5.1.4 试验方法
　　5.1.5 阀柱塞试验
　　5.1.6 测试结束

　　5.2 JZ-7 项目模拟单机试验办法
　　5.2.1 技术要求
　　5.2.2 测试方法
　　5.2.3 JZ-7 型空气制动机准备
　　5.2.4 阶段制动试验检查
　　5.2.5 单独缓解性能试验
　　5.2.6 过充作用的检查
　　5.2.7 常用全制动作用的检查…
　　5.2.8 缓解性能的检查
　　5.2.9 过量减压位作用检查

　　5.2.10 手柄取出位的检查
　　5.2.11 紧急制动作用的检查
　　5.2.12 紧急制动后的单独缓解试验
　　5.2.13 单独制动作用
　　5.2.14 无火动力回送检查
　　5.2.15 电磁阀试验
　　5.2.16 测试结束
　　5.3 本章小结

　　第六章 制动系统集成装车运用及操作
　　6.1 A.B 型制动系统集成安装
　　6.1.1 制动阀安装气路板安装
　　6.1.2 分配阀组安装气路板组成安装
　　6.2 制动柜组成安装
　　6.3 本章小结

　　第七章 典型故障分析及处理
　　7.1 故障现象
　　7.2 故障原因
　　7.3 原因分析
　　7.4 应急处置
　　7.5 整改措施
　　7.6 本章小结

　　第八章总结和展望

　　8.1总结

　　论文结合铁路养护工程作业车生产企业实际需求，对JZ-7型空气式制动机集成式气路板进行制造工艺设计及实验研究。主要结论如下：

　　1、对JZ-7型空气式制动系统部件进行了布局优化及仿真分析，利用集成气路板方式将原有分散装配的功能阀集成化，通过部件的集成组装，提高了系统的可靠性。

　　2、研究开发了制动系统单机模拟实验平台，并研究制定了空气式制动机单机性能测试实验技术规范，通过对集成组装的制动系统的模拟实验，减少了因管路漏泄、部件性能不合格造成的返工，保证了组装质量及整机性能。

　　3、本文采用气路板方式优化了制动系统管路，节省了安装空间，减少了管路连接和配管，降低了管路漏泄的可能性，提高了制动系统的运行稳定性和可靠性，且由于组装工艺简单，有利于缩短制造装配周期。

　　8.2展望

　　文中所介绍的是基于JZ-7制动机原理的制动系统集成，已经在钢轨探伤车、钢轨打磨车、地铁打磨车等车型上装车运用，并取得了良好的应用效果，对生产组织和售后保养有着明显的促进作用。由于本文讨论的内容仍属于空气制动范畴，伴随着铁路技术的发展，电控制动必将是今后发展的主要方向，因此模块化设计和工艺流程还需结合电控技术进行更深入的研究。

　　参考文献
　　[1] Asiarunner 内燃机车 [J]. 铁路技术创新。 2009 （02）[2] 《内燃机车》《国外内燃机车》理事会编委会 2011 年年会成功召开 [J]. 内燃机车。 2011（12）[3] 赵敬超。 内燃机车电传动[M]. 1981.
　　[4] Diesel locomotive[M]// Dictionary Geotechnical Engineering/W rterbuch GeoTechnik.
　　2014.
　　[5] 田睿。俄罗斯运输机械控股公司制造交流传动混合动力内燃机车 [J]. 国外内燃机车。
　　2012 （01）[6] 韩才元。中国铁路内燃机车发展 50 年[J]. 铁道机车与动车， 2008（9）：1-7.
　　[7] 苏明。Vossloh 公司扩充机车产品系列 [J]. 国外内燃机车。 2011 （05）[8] Zhao X, Min Y U, Long S D, et al. Simulation Research of Spray Cooling on DieselLocomotive[J]. Journal of University of Shanghai for Science & Technology, 2013.
　　[9] 孙有民。内燃机车冷却水系统的改进与优化 [J]. 机械工程与自动化。 2011 （05）[10] 戴繁荣。 内燃机车冷却装置[M]. 1993.
　　[11] 莫易敏， 程鸯， 高勇。 内燃机车水阻试验台监测系统设计[J]. 机电技术， 2012,35（4）：61-62.
　　[12] Verde M, Cortés L, Corberán J M, et al. Modelling of an adsorption system drivenby engine waste heat for truck cabin A/C. Performance estimation for a standard driving cycle[J].
　　Applied Thermal Engineering, 2010, 30（13）：1511-1522.
　　[13] 胡新林，吴顺海，于力。6500 马力内燃机车用辅助同步发电机 [J]. 机车电传动。 2011（04）[14] Yoshitaka I, Naoki Y. Elastic coupling[J]. 2002.
　　[15] 张万成。弹性联轴节甩油问题分析 [J]. 哈尔滨铁道科技。 2011 （04）[16] 孙有民。工矿企业内燃机车的维护与保养 [J]. 机械制造与自动化。 2011 （05）[17] 宁智， 资新运。 内燃机车柴油机的排放及其控制[J]. 内燃机， 2000（5）：26-30.
　　[18] Boelter F W, Persky J D, Podraza D M, et al. Characterizing and Communicating Riskwith Exposure Reconstruction and Bayesian Analysis: Historical LocomotiveMaintenance/Repair Associated with Asbestos Woven Tape Pipe Lagging.[J]. Risk Analysis,2016, 36（2）：228-243.
　　[19] 缪仲翠，张海明。基于 ADAM5000E 的东风系列内燃机车智能化水阻试验装置的数据采集系统设计 [J]. 工业控制计算机。 2011 （11）[20] Cun L G, Li Z H, Zhang B X, et al. Reliability analysis on electrode plates drivingmechanism in water resistance test for high speed diesel locomotive[C]// InternationalConference on Electric Information & Control Engineering. 2011.
　　[21] Northern Jiaotong University（Beijing ） Zeng Qingrong Kang Jianhong. Compound fuzzycontrol of the plate's movement & location in diesel locomotive water resistance test[J]. ElectricDrive for Locomotive, 1998.
　　[22] 陈鲁倩，陈坤杰，逄滨。内燃机车实时油耗检测系统的设计与实现 [J]. 科学技术与工程。
　　2011 （36）[23] 刘宵瑞。 内燃机车牵引控制单元的研究[D]. 北京交通大学， 2015.
　　[24] 张涛， 孙立军， 王军，等 内燃机车随车油耗仪的研究[J]. 仪器仪表学报， 2005,26（2）：152-156.
　　[25] 陈亭志。 机车单元制动器工况监测系统的研制[D]. 武汉理工大学， 2004.
　　[26] Mu oz-Organero M, Maga a V C. Validating the Impact on Reducing FuelConsumption by Using an EcoDriving Assistant Based on Traffic Sign Detection and OptimalDeceleration Patterns[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2013,14（2）：1023-1028.
　　[27] Miao Z. Application of Siphon Principle to Detection System of Fuel-consumption forDiesel Locomotives in Dongfeng Series[J]. Computer Development & Applications, 2009.
　　[28] 池海，田军，覃桂菊。单片机在铁路客车制动机监控系统应用的研究 [J]. 铁路计算机应用。 2005 （01）[29] 李锦辉， 张健宁。 神华大功率交流传动电力机车空气制动系统[J]. 电力机车与城轨车辆， 2016（1）：47-49.
　　[30] 郝金伟。 HXN5 型大功率交流传动内燃机车[J]. 机车电传动， 2009, 2009（2）：1-5.
　　[31] Hu J, Xuan T, Feng Q, et al. Design and Implementation of the Train Brake MonitoringSystem[C]// Chinese Control and Decision Conference（ccdc. 2011.
　　[32] Lee N J, Kang C G. Sliding mode control for wheel slide protection in railway vehicleswith pneumatic brake systems[J]. International Journal of Precision Engineering &Manufacturing, 2017, 18（3）：285-291.
　　[33] 刘沛。机车制动故障的检测与报警 [J]. 中国铁路。 2004 （11）[34] 蔡林， 梁岩， 宋兆昆。 内燃机车工况监测系统[J]. 铁道机车车辆， 2003, 23（4）：33-37.
　　[35] 丁建波， 欧长劲。 内燃机车空气制动机故障树的建立[J]. 机车电传动， 2007,2007（5）：60-62.
　　[36] 丁建波。内燃机车空气制动机故障诊断系统的研究[D]. 浙江工业大学， 2008.
　　[37] Rowshandel H, Nicholson G L, Davis C L, et al. A combined threshold and signaturematch method for the automatic detection of rail RCF cracks using an ACFM sensor[C]//Railway Condition Monitoring. 2015.
　　[38] 王立德，郭其一，申萍。机车瞬间故障检测诊断记录系统的设计与运用 [J]. 铁道学报。
　　2000 （02）[39] 池海，田军，覃桂菊。单片机在铁路客车制动机监控系统应用的研究 [J]. 铁路计算机应用。 2005 （01）[40] 宋春元。 车辆制动系统颤振研究[D]. 西南交通大学， 2006.
　　[41] 张俊峰。 基于 ARM 芯片的机车制动监测系统研究[D]. 武汉理工大学， 2004.
　　[42] 钟约先，林亨编著。 机械系统计算机控制[M]. 清华大学出版社， 2001[43] 大连机车车辆工厂。东风 4 型内燃机车空气系统[M]. 大连：大连理工大学出版社，1993.
　　[44] 周金莲。杭钢内燃机车修程修制改革的探索与实践[D]. 江西理工大学， 2011.
　　[45] 曹灏，王存兵，吴国栋。HXD3 型电力机车空气制动系统[J].铁道机车车辆，2009,29（4） : 46-49.
　　[46] 林原。 104 型分配阀制动性能不良问题的分析及探讨[J]. 铁道机车车辆， 2010,30（6）：79-81.
　　[47] 孙冰， 王存兵， 吴国栋，等。 HXD3D 型交流传动快速客运电力机车空气制动系统[J].
　　铁道机车与动车， 2016（10）：12-15.
　　[48] ZUO Jianyong, LUO Zhuojun, CHEN Zhongkai. Position Control Optimization ofAerodynamic Brake Device for High-speed Trains[J]. Chinese Journal of MechanicalEngineering, 2014, 27（2）：287-295.
　　[49] 刘豫湘。我国机车制动机的现状与发展[J]. 电力机车与城轨车辆，2005,28（ 1） : 6 -9.
　　[50] Wen Z J, Wang Z B, Yue W H, et al. Robust Design for Handwheel Shoe Brake Linkageof Electric Mine Locomotive[J]. Journal of Jishou University, 2013.
　　[51] Liu J, Huang Z, Liu W, et al. Locomotive Brake Control Method Based on T-S FuzzyModeling Predictive Control[M]. 2008.
　　[52] 丁锋。内燃机车制动系统的现状及发展趋势的探讨[J].铁道机车车辆，2004,24（12） :
　　67-70.
　　[53] 司健。 JZ-7 型空气制动机制动阀件卡滞分析[J]. 轨道交通装备与技术， 2012（2）：37-38.
　　[54] Vlasevskii S V, Kuchumov V A, Shcherbakov V G. A comparison of the energy efficiencyof the traction electric drive of alternating-current electric locomotives based on collector andasynchronous motors[J]. Russian Electrical Engineering, 2017, 88（9）：615-621.
　　[55] Young K E, Hodges K V, Van Soest M C, et al. Geochronology and Thermochronologyof the Mistastin Lake Impact Structure, Labrador, Canada[C]// American Geophysical UnionFall Conference. 2013.
　　[56] Izvarin M Y, Leonov A E, Rolle I A, et al. Increasing the efficiency of existing systemsof rheostatic braking of diesel locomotives[J]. Russian Electrical Engineering, 2017,88（10）：649-652.
　　[57] 张斌。JZ-7 型制动机断钩保护问题探讨[J]. 内燃机车，2009,（4） : 33-36.
　　[58] 李岳恒。 关于机车推拉式制动手柄作用方向的探讨[J]. 铁道机车车辆， 2006,26（2） .
　　[59] 刘尚景，马瑞东。 增加真空制动的 JZ-7 型制动机机车制动系统[J]. 铁道机车车辆，2008,28（3） : 44 - 46.
　　[60] 臧玉军。 CKD7C 内燃机车空气-真空制动系统[J]. 铁道机车车辆， 2012, 32（4）：9-14.
　　[61] Yue-Wen H U, Duan J C, Zhang J, et al. Air brake system of type HX_D1 high-powerAC electric locomotive[J]. Electric Locomotives & Mass Transit Vehicles, 2007.
　　[62] Huang Z, Jie L, Liu J. Design and Implementation of Communication System for AirBrake System of Electric Locomotive[J]. Computer Measurement & Control, 2008.
　　[63] 曹灏，王存兵，吴国栋，孙宝生。 HXD3B 型交流传动电力机车空气制动系统[J]. 电力机车与城轨车辆，2010,33（2） : 17-21.

致谢

　　金秋来临，在这个充满收获的季节，我也迎来了人生中重要的一个节点，通过几年的工程硕士学习，我要毕业了，这将使我的人生阅历又提升一个台阶。

　　在这重要的时刻，我要衷心的感谢北京中车重工机械有限公司和吉林大学给了我这次弥足珍贵的机会，持续的学习新的理论知识，丰富了我的知识结构，工作之后的理论回炉使我也专业能力再一次得到升华。

　　在这里要郑重的感谢一下我敬爱的导师李国发教授，李老师严谨治学的工作作风、渊博的专业知识将使我受益终生！感谢企业导师曹宏哲教授、韩晟教授、李丽敏高级工程师在我学业上的指导和诲人不倦的帮助；感谢吉林大学所有的授课老师，感谢你们不远千里从长春来到北京，带给我们先进的科学知识和求实创新、励志图强的精神。

　　感谢在工作中帮助过我的领导和同事，有你们的陪伴和帮助才能让我在人生旅途中不断取得进步。

　　最后要感谢我的家人，感谢她们的鼓励与支持，使我可以安心的工作，顺利的完成研究生的学业。

（如您需要查看本篇毕业设计全文，请您联系客服索取）